Sectores de la industria Ventilación Zona 4

Optimización del caudal de aire en minas bajo tierra

La ventilación adecuada es esencial para asegurar un entorno de trabajo saludable en una mina subterránea; su propósito: distribuir aire limpio en las áreas de producción donde se encuentra el personal. Se trata de una función de apoyo que influye en gran medida en la productividad.

La velocidad óptima de los ventiladores se determina con base en sus propiedades y en la demanda de aire en los diversos conductos.

Michael Lundh, Jan Nyqvist y Mats Molander.

A00075901El aire subterráneo está contaminado por gases peligrosos, como CO, NOx, y CO2, procedentes de los equipos movidos por motores diesel y de las voladuras; además, se puede encontrar naturalmente en el suelo radón y metano (en las minas de carbón). La ventilación consume una cantidad considerable de energía, normalmente 100 GWh/año, lo que puede llegar a representar hasta 50 por ciento del consumo total de energía de una mina.

En la actualidad, los ventiladores principales de la superficie suministran a la mina aire limpio que se distribuye bajo tierra mediante ventiladores o reguladores de aire; puede ser necesario calentar o enfriar el aire que entra. La tecnología de vanguardia para el control es la ventilación a demanda (VoD); sin embargo, muchas minas no disponen de control. Pero incluso la VoD tiene inconvenientes: no existe control de realimentación y utiliza un modelo de relación ventilador-regulador de aire complejo o débil.

Aplicación del MPC
El control avanzado de procesos se ha aplicado con éxito en muchas áreas; por ejemplo, en los procesos químicos y en el refinado. El método más generalizado es el control predictivo basado en modelos (MPC), cuyos orígenes se remontan a la década de 1970.

Este tipo de control utiliza un modelo explícito para predecir la respuesta futura de una planta. Con base en esto, es posible determinar señales de control que afecten a la planta para obtener la respuesta deseada. Puesto que esto suele ser un compromiso entre objetivos contradictorios, se plantea un problema de optimización para encontrar la “mejor” solución. Es esencial un modelo dinámico que describa la planta.

Realizar un modelo dinámico puede requerir mucho tiempo: en los proyectos de control de procesos avanzados (APC) industriales normales, el mayor esfuerzo se dedica a encontrar un modelo suficientemente bueno. Normalmente la modelización incluye una fase de pruebas de la planta donde se juega con los valores de entrada para provocar sus valores de salida. Se registran entradas y salidas, y estas señales son utilizadas posteriormente por métodos matemáticos para determinar un modelo. Esto se conoce como identificación del sistema.

El nuevo método para la ventilación de las minas está inspirado por la metodología MPC. Los problemas de las minas subterráneas desafían la tecnología MPC, porque la mina cambia continuamente. Se abren nuevos túneles a la producción y se cierran los que se encuentran fuera de explotación. Cuando la mina se desarrolla, se añaden nuevos ventiladores y conductos de ventilación. También puede haber cambios inesperados de la estructura, por ejemplo, tras una voladura. Mediante una identificación automatizada de sistemas, basada en datos operativos o en experimentos realizados, se puede ajustar fácilmente el modelo simple de relación dinámica a las nuevas condiciones.

Presentación
El nuevo método se asemeja al VoD que actualmente está en uso. La estructura se puede dividir en tres niveles para ambos tipos de solución:

– El nivel superior determina la demanda de aire real en diversos conductos de ventilación de la mina. Se obtiene la demanda a partir de la presencia de vehículos y personas en determinados emplazamientos. La demanda también puede determinarse mediante sensores, que miden las concentraciones de diversos gases. Puede haber ciertos conductos de ventilación en los que interese mantener el caudal lo más bajo posible, por ejemplo, para controlar la circulación en las rampas de acceso

– La funcionalidad del segundo nivel determina la distribución del aire al optimizar la velocidad de los ventiladores que impulsan el aire por la mina. La velocidad óptima de los ventiladores se determina a partir de la demanda de aire en diversos conductos de ventilación y de las propiedades de los ventiladores y los motores que los impulsan. El segundo nivel también puede incluir los ángulos de apertura de los reguladores de aire que se utilizan para controlar la circulación. Se determinan las velocidades de los ventiladores y los ángulos de los reguladores de aire para reducir al mínimo la potencia total real utilizada, de modo que se satisfaga en cualquier caso la demanda de aire. Esta minimización se basa en un modelo que relaciona los cambios en las velocidades de los ventiladores con los cambios en el caudal de aire y la potencia real utilizada

– Más tarde, se utilizan los valores óptimos de las velocidades en los ventiladores y los ángulos en los reguladores de aire en los controladores de nivel inferior del sistema de control distribuido (DCS). En la solución MPC, se lleva a cabo una optimización general de la distribución de aire en el segundo nivel

A00075902Modelo base. Definir un diagrama de la mina que habrá de ventilarse resulta indispensable para calcular los caudales de aire por manejar

Modelización
La distribución del aire en la mina se ve influida por las velocidades de los ventiladores y, en su caso, por los ángulos de apertura de las compuertas. Estos son los actuadores del sistema de control. Hay interacción entre los actuadores y la circulación de aire en la mina. Esto significa que una velocidad modificada en un ventilador no sólo afectará al caudal de aire donde se encuentra el ventilador, sino que afecta al que exista en otras conducciones. Esta interacción dificulta el control del caudal de forma óptima; por ello, es importante que el modelo capte este comportamiento.

Se podrían utilizar modelos multivariable dinámicos para describir la mina. Dichos modelos se utilizan en muchas aplicaciones, por ejemplo, en la industria del refino. Un inconveniente es que se requiere un esfuerzo importante para obtener un modelo. Esto no es deseable aquí, puesto que la forma de la mina cambia sistemáticamente con ampliaciones y nuevos caminos accidentales de circulación del aire a causa de las voladuras. No es práctico ni útil pasar semanas creando un nuevo modelo dinámico preciso de la mina cada vez que se produce un cambio.

En este caso se utiliza un modelo simple estático multivariable, que pueda captar la interacción esencial y el efecto de los cambios en los actuadores:

A00075903donde Q es un vector del caudal de aire medido, ρ es un vector de las presiones sobre los ventiladores, β es un vector de las velocidades de los ventiladores y E un vector de las potencias de los ventiladores; Δ señala los cambios entre dos muestras.

Los coeficientes de las matrices Hq, Hp y He se obtienen a partir de experimentos sencillos o de datos normales de funcionamiento que permitan la automatización de la identificación del sistema.

Mediciones
Para identificar el modelo del sistema de ventilación de minas y poder utilizarlo en el control, hay que medir algunas variables:

  • La concentración de gas o los caudales de aire en distintas ubicaciones por controlar
  • La potencia de ventilación de los ventiladores que haya que controlar
  • La velocidad de los ventiladores que haya que controlar
  • Las presiones sobre los ventiladores
  • El controlador ajusta la velocidad real del ventilador en función de la demanda actual

Control
Mantiene el caudal de aire deseado en diversos conductos de aire, mientras se reduce al mínimo la potencia necesaria para que los ventiladores funcionen. Las conducciones que suministran aire a las zonas de producción deben tener un caudal de aire que supere el necesario. Pueden requerirse otras conducciones de aire con caudales que deben mantenerse tan pequeños como sea posible.

Esto puede formularse como un problema de optimización en el que se determinan las nuevas velocidades de los ventiladores para minimizar su potencia real. Durante el proceso, se tienen en cuenta limitaciones sobre el caudal de aire y las presiones diferenciales: A00075904

Además, hay limitaciones en las velocidades de los ventiladores:

A00075905Este problema se resuelve sobre una base cíclica donde se calculan las nuevas velocidades de los ventiladores. Se introducen los valores iniciales para cada optimización con los valores filtrados de las señales medidas.

A00075906Gráfica 1. Comparativo de los caudales mediante un sistema que ajusta el caudal de aire a un cambio brusco en la demanda

Pruebas sobre el terreno
El área controlada de la mina se compone de tres niveles de producción, desde una profundidad de 500 hasta 1 mil 80 m. Hay dos ventiladores en superficie para la toma de aire, más un ventilador en la entrada y otro en la salida de cada nivel. La velocidad del aire en cada nivel y en los túneles de acceso entre niveles se mide con sensores de flujo ultrasónicos. Para cada ventilador se mide también el aumento de la presión estática.

Los vehículos entran y salen constantemente de las zonas de producción, lo que significa que la demanda de aire también varía y que el sistema actual VoD de ventilación cambiará según las velocidades de los ventiladores. Esto proporcionará la excitación necesaria para identificar el modelo. Tras un filtrado adecuado y la eliminación de las variaciones de alta frecuencia, los modelos estáticos de la mina se identifican con el método de ajuste por mínimos cuadrados. Uno de ellos se identificó mediante los datos que se han estimado y el otro (eval. cruzada) se identificó mediante un conjunto completamente diferente de datos.

El optimizador de ventiladores, basado en los modelos identificados, se probó durante más de dos días en los que controló la ventilación de los niveles de producción. En la Gráfica 1 se muestra cómo ajusta el sistema el caudal de aire, en el primer nivel, a un cambio brusco en la demanda (línea continua gris) y el caudal en el segundo nivel a un cambio brusco en la demanda (línea continua naranja oscuro). Las pruebas han demostrado una posible reducción de la potencia del ventilador de entre 30 y 50 %, en comparación con el sistema existente, a la vez que se mantienen los mismos caudales.

Logros para el sistema de aire
Las pruebas sobre indican que aplicar los modelos empíricos sencillos en un sistema de ventilación subterráneo permite conseguir:

  • Control automático de un entorno de trabajo saludable en una mina subterránea, ajustado a la demanda actual de calidad del aire
  • Ajuste automático a nuevas condiciones de trabajo cuando la mina evoluciona
  • Importante reducción de la potencia de los ventiladores mediante la optimización de las cargas distribuidas sobre los ventiladores existentes
  • Ventilación sólida y fiable automatizada mediante el control de realimentación

La aplicación a los sistemas de ventilación de la mina de estos modelos empíricos dinámicos aporta muchas ventajas. No sólo el propietario o el explotador de la mina se benefician de menores costos operativos, sino que el entorno de trabajo consigue caudales de aire óptimos que se ajustan de la mejor forma a la actividad en cada punto.

A pesar de la naturaleza evolutiva de la mina, el modelo se mantiene actualizado y asegura la optimización continua del aire y los ventiladores. También significa que no hay perjuicio para las eficiencias de las que se beneficia, incluso en los entornos de trabajo más duros y más remotos.
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Autores:
Michael Lundh, Jan Nyqvist y Mats Molander
ABB Corporate R&D, Vasterås, Suecia.

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